CN111925262B - 基于金属氯化物的多组分低共融液体的制备方法 - Google Patents

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract

本发明公开了基于金属氯化物的多组分低共融液体的制备方法，制备出的多组分低共融液体具有可与双氧水自发点火、合成简单和成本低廉的特点，是具有很大潜在应用价值的肼类燃料替代物。

Description

基于金属氯化物的多组分低共融液体的制备方法
技术领域
本发明涉及含能材料技术领域，尤其涉及基于金属氯化物的多组分低共融液体的制备方法。
背景技术
当前自着火推进剂主要由肼类燃料和白烟硝酸或N2O4类氧化剂组成。肼类推进剂由于其高致癌性、高挥发性、使用维护不便等缺点。因此，液体推进系统的无毒化、快响应、低成本、系统简单、可维护性强等需求就成为了航天技术中亟待解决的技术难题。近年来美国、欧盟等相继启动了绿色先进空间推进创新计划，开发更先进的火箭推进剂材料。目前已有多种新兴材料被研究开发，例如离子液体火箭燃料，离子液体具有低蒸汽压、低毒性、低特征信号、可操作的液态区间宽等特点。然而，目前的液体燃料大部分只能采用白烟硝酸为氧化剂，依然不够绿色，同时例子液体的高合成成本也大大限制了其在推进剂领域的应用。因此，开发更加环保和低成本的燃料-氧化剂体系具有重大的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于为了解决现有燃料-氧化剂体系的成本和环保问题，而提供一种基于金属氯化物的多组分低共融液体的制备方法，本发明提供了更环保和低成本的低共融-双氧水体系，并测试了低共融-双氧水体系点火性能。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
基于金属氯化物的多组分低共融液体的制备方法，包括以下步骤：
Figure BDA0002640197710000021
(1)低共融液体的制备
在一定温度下，将一定比例的有机氯盐(CatCl)和氢键供体(HBD)混合，将体系加热到一定温度后继续搅拌数小时，冷却后得到低共融液体(CatCl)(HBD)a。
步骤(1)加热温度为30℃-100℃，有机氯盐(CatCl)和氢键供体(HBD)摩尔比为1∶2-6。
(2)离子液体的制备
在一定温度下，将一定比例的金属氯化物(MClb)和咪唑氯化物(ImCl)混合，将体系加热到一定温度后继续搅拌数小时，冷却后得到离子液体(Im)+(MClb+1)-。
步骤(2)加热温度为30℃-100℃，金属氯化物(MClb)和咪唑氯化物(ImCl)摩尔比为1∶1-1.5。
(3)基于的金属氯化物的多组分低共融液体的制备
在一定温度下，将将一定质量比的低共熔液体(CatCl)(HBD)a和离子液体(Im)+(MClb+1)-混合，将体系加热到一定温度后继续搅拌数小时，冷却后得到多种基于的金属氯化物的多组分低共融液体。
步骤(3)加热温度为20℃-50℃，低共熔液体(CatCl)(HBD)a与离子液体(Im)+(MClb+1)-质量比为1∶99到99∶1。
所述多组分低共融液体具有如下结构：[(Cat+Cl-)(HBD)a]-[(lm)+(MClb+1)-]
其中CatCl包括
Figure BDA0002640197710000022
HBD包括
Figure BDA0002640197710000023
Figure BDA0002640197710000031
M为Fe2+或Cu+；
a为2或者4，b为1或者2。
本申请还提供了通过上述方法得到的多组分低共融液体以及其在推进剂领域的用途。
本发明的有益效果在于：
基于金属氯化物的多组分低共融液体相对于普通低共熔液体其突出特点在于，此类多组分低共融液体可以实现与高浓度双氧水(＞95％)的自发点火，可作为肼类燃料的绿色替代物；而相对传统肼类推进燃料，此类多组分低共融液体(双氧水作为氧化剂)具有易制备、成本低、无毒、等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要实用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实施例的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1实施例3中基于金属氯化物的多组分低共融液体[(ChCl)(EG)2]-[(BMIm)+(CuCl2)-(10％)]实物图，淡黄色透明液体，密度为1.136g cm-3，粘度为55mP s。
图2实施例3中基于金属氯化物的多组分低共融液体[(ChCl)(EG)2]-[(BMIm)+(CuCl2)-(10％)]与双氧水的自点火图，点火延时为58ms。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
在室温下，将13.96g氯化胆碱(ChCl)和12.41g乙二醇(EG)加入单口烧瓶中(二者摩尔比为1∶2)，加热至80℃，保持80℃下搅拌12小时后冷却至室温，得到无色透明低共融液体(ChCl)(EG)226.37g，收率100％。
实施例2
在室温下，将17.47g甲基丁基咪唑氯盐(BMIm)和9.9g氯化亚铜加入氮气保护的单口烧瓶中(二者摩尔比为1∶1)，加热至80℃，保持80℃下搅拌24小时后冷却至室温，得到深绿色离子液体(BMIm)+(CuCl2)-27.37g，收率100％。
实施例3
在室温下，将1.8g低共融液体(ChCl)(EG)2和0.2g离子液体(BMIm)+(CuCl2)-加入氮气保护的单口烧瓶中，室温下搅拌12小时后，得到浅绿色多组分低共融液体[(ChCl)(EG)2]-[(BMIm)+(CuCl2)-(10％)]2g，收率100％。
基于低共融-双氧水体系点火性能测试，包括以下步骤：
在室温下，将一定量的基于的金属氯化物的多组分低共融液体置于样品瓶中，然后向品瓶中滴加一滴95％双氧水。采用高速摄像机拍摄整个点火实验过程，记录自点火情况。
实施例4
在室温下，将实施例3制备的多组分低共融液体[(ChCl)(EG)2]-[(BMIm)+(CuCl2)-(10％)]0.4g置于样品瓶中，使用奥林巴斯i-speed 3高速摄像机在1000针/秒下拍摄记录，然后向样品瓶中滴加一滴95％双氧水，结果显示点火延迟时间为58毫秒(图2)。而普通的低共熔液体如(ChCl)(EG)2、(ChCl)(utea)2、(ChCl)(malonic acid)、(ChCl)(oxalic acid)等与95％双氧水并不能发生自发点火。
实施例5
本发明体系中燃料氧化剂为，多组分低共融-双氧水体系，相对传统肼类燃料-N2O4体系，其环保优势体现为：多组分低共融-双氧水体系中各组分{有机氯盐(如氯化胆碱、烯丙基三甲基氯化铵等)、氢键供体(乙二醇、丙二酸等)、金属氯化物(氯化亚铜、氯化亚铁等)、咪唑氯化物(1-甲基-3-丁基氯化咪唑、1-甲基-3-乙基氯化咪唑)和双氧水等}均为不易挥发的无毒或低毒化合物；而肼类燃料和N2O4均为易挥发的强致癌物质。此外，多组分低共融化合物原料均为常见市售化学品，只需将4种组分混合即可简单高收率制备，具有易制备，易储存，低成本的特点。
实施例6
(1)使用任意如下所示有机氯盐(CatCl)和氢键供体(HBD)以一定比例在加热30℃-100℃条件下都可得到低共融液体(CatCl)(HBD)a；有机氯盐(CatCl)和氢键供体(HBD)的摩尔比为1∶2-6；
其中CatCl包括
Figure BDA0002640197710000051
HBD包括
Figure BDA0002640197710000052
Figure BDA0002640197710000053
Figure BDA0002640197710000061
(2)使用任意如下所示金属氯化物(MClb)和咪唑氯化物(ImCl)以一定比例在加热30℃-100℃条件下均得到离子液体(Im)+(MClb+1)-；金属氯化物(MClb)和咪唑氯化物(ImCl)的摩尔比为1∶1-1.5。
(Im)+为
Figure BDA0002640197710000062
Figure BDA0002640197710000063
M为Fe2+或Cu+；
(3)将任意上述低共熔液体(CatCl)(HBD)a与任意上述离子液体(Im)+(MClb+1)-在一定比例下加热20℃-50℃条件下混合，低共熔液体(CatCl)(HBD)a与离子液体(Im)+(MClb+1)-的质量比为1∶99到99∶1；均可得到基于金属氯化物的多组分低共融液体[(Cat+Cl-)(HBD)a]-[(Im)+(MClb+1)-]；a为2或者4，b为1或者2。
根据上述方法方法皆可得到本申请的多组分低共融液体；其密度为1.01-1.30gcm-3之间；粘度为40-1500mP s之间。
与95％双氧水并发生自发点火，点火延时为10-500ms之间，平均为50ms。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (6)

1.基于金属氯化物的多组分低共融液体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使用有机氯盐CatCl和氢键供体HBD在加热条件下得到低共融液体(CatCl)(HBD)a；
(2)使用金属氯化物MClb和咪唑氯化物ImCl在加热条件下得到离子液体(Im)+(MClb+1)-；
(3)将低共熔液体(CatCl)(HBD)a与离子液体(Im)+(MClb+1)-在加热的条件下混合，得到基于金属氯化物的多组分低共融液体[(Cat+Cl-)(HBD)a]-[(Im)+(MClb+1)-]；
所述多组分低共融液体具有如下结构：[(Cat+Cl-)(HBD)a]-[(Im)+(MClb+1)-]
其中Cat+Cl-包括
Figure FDA0003095497730000011
HBD包括
Figure FDA0003095497730000012
Figure FDA0003095497730000013
(Im)+为
Figure FDA0003095497730000014
Figure FDA0003095497730000015
M为Fe2+或Cu+；
a为2或者4，b为1或者2。
2.如权利要求1所述的基于金属氯化物的多组分低共融液体的制备方法，其特征在于，步骤(1)加热温度为30℃-100℃，有机氯盐CatCl和氢键供体HBD的摩尔比为1:2-6。
3.如权利要求1所述的基于金属氯化物的多组分低共融液体的制备方法，其特征在于，步骤(2)加热温度为30℃-100℃，金属氯化物MClb和咪唑氯化物ImCl的摩尔比为1:1-1.5。
4.如权利要求1所述的基于金属氯化物的多组分低共融液体的制备方法，其特征在于，步骤(3)加热温度为20℃-50℃，低共融液体(CatCl)(HBD)a与离子液体(Im)+(MClb+1)-的质量比为1:99到99:1。
5.如权利要求1-4任一项所述的基于金属氯化物的多组分低共融液体的制备方法得到的多组分低共融液体。
6.如权利要求5所述的多组分低共融液体在推进剂领域的用途。
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